威迈斯韩永杰:HEV客户倾向于集成Booster+DC/DC来实现电池、电机降本

NE时代

阅读 1356   更新于 2021-06-23 08:29:48

今天我演讲主题是混合动力电机控制器和控制策略,主要分三个部分:第一部分,混合动力发展的驱动力;第二部分,混合动力技术路线趋势;第三部分,混合动力电机控制器面临的技术挑战及应对策略。

混合动力发展的驱动力

在过去十年,新能源汽车发展一直绕不开一个问题——驱动力,中国发展新能源汽车,国家政策补贴提供了大力支持,但是这方面也经历了骗补、技术路线摇摆等波折,很多人对它有垢病,新能源汽车发展到今天这个程度,补贴政策无疑是功不可没的,这两年欧美政府进行补贴也充分说明我们之前进行补贴的正确性。但走到今天每年两百万台新能源汽车的时候,补贴已经不能支撑我们继续发展新能源汽车,需要有更好的驱动力来推动新能源汽车的发展。去年2020年9月份,习近平总书记宣布碳达峰、碳中和时间计划表是一个终极政策,它代表了国家最高意志。交通领域大概占了10%以上的碳排放指标,而且要提前两年完成,大概到2028年达到这个碳达峰,这是整个新能源汽车,包括混合动力,能够快速发展的最终驱动力。

国内从2004年、2005年就一直在分析和研究混合动力,但那个时候存在很多技术难题,这里面最关键问题是和混合动力架构有关,混合动力架构很多专利是在大的外资企业手里,尤其像HEV,更多在日本企业手里。其次,整个发动机技术、电力电子技术,中国早年没有真正地掌握,这也是中国顶层设计决定做电动的原因之一。经过十多年的发展,很多东西发生了变化,整个技术路线跟很多因素是有关系的,其中跟技术发展直接相关。过去几年中国在电子电力技术、发动机技术方面快速拉近跟国际上主流企业的差距。很多企业曾花几十亿开发发动机,这些投入的成果这几年已经显现出来了,自主发动机、电机、电力电子这方面有非常明显的进步,这是国内发展新能源和混合动力的前提和基础。

中国纯电动路线走了十几年,总体上与期望的目标还有距离。2020年中国在技术路线图上又重新进行了调整,从顶层设计上明确了混合动力的技术路线,所以很多企业投入到混合动力当中。从国家制定的技术路线图和很多行业预测上,对混合动力的发展抱了很大的预期,这里面混合动力把48V、HEV和PHEV都算在其中。从目前来看,可能48V在未来,因为油耗的降低程度限制等等问题会逐渐减缓,强混的发展会超过48V。

混合动力技术路线趋势

混合动力发展要从时间和技术两个维度去看,过去几年中国油耗标准没有现在这么严格,48V可以解决很多问题,比如降低10%的油耗,而且有供应商可以提供整套的解决方案。随着油耗进一步地限制,加上电机、电力电子成本下降,48V方案的价值在下降。某种程度上讲,它替代原有的纯燃油方案还是会继续发展。再看插电强混,目前新能源积分,国家补贴和牌照在推动这个方案,但这三个方面变数都非常大,它将决定插电混合动力未来整个发展方向,从当前来看插电强混有很多明显的优势,但它成本比HEV高,应该更多定位于高端车型配置。

回归到HEV,HEV目前主流是直驱和动力分流。直驱早些年为什么没有?这里面更多的是技术发展水平的问题。混合动力早期专利封锁导致很多人去想出路,但是那个时候总成成本下不来,这个出路就不可行,这两年随着成本下降,直驱技术路线就变成了可能。但从去年到今年,有两件事情达成了高度一致,一个是一定要做混合动力,第二基本上都走了类似的DHT方向。另外,无论HEV还是PHEV,都会用到双电机系统,这是目前达成一致的情况。

我简单地罗列一下威迈斯接触到的客户信息。整体来讲,PHEV数量明显少于HEV数量,HEV整体上大家都希望集成Booster+DC/DC,希望通过集成Booster降低电池成本,还有降低电机成本。另外,希望通过Booster,实现电机平台化方案,这个趋势比较集中的,大家认识基本一致。这里面还有一些小的分歧,Booster功率到底是40kW、50kW还是60kW,有必要好好地讨论一下,因为这里面涉及到多维度的因素,当你增加一个参数的时候,意味着方案可行性又肯行会产生变化。

混合动力控制器面临的挑战和应对策略

前面几位专家基本上把混合动力讲的很清楚了,包括技术方向等等。针对这个挑战我想讲两个特点:第一,多维度限制。第二,方案倒逼。

多维度限制,电机控制器技术从十多年前由极少数企业掌握,到今天大部分企业,不管零件企业还是主机厂,都可以做出电机控制器。单就某一个参数讲,比如功率密度、性能、价格,单一维度都是容易实现的,但是混合动力呈现的是多维度限制,它是把尺寸空间、性能、可靠性和成本同时施加到产品设计要求里边,这样它实施的难度就会增加很多。

另外一个现象就是方案倒逼,参与电机控制器开发的人有一个感受,早期电机控制器是最核心零件,所以先定电机控制器方案再定周围的方案。今天已经不是这样,我们看到很多客户的输入是,先把周围的方案定好之后给我们一个空间来做电机控制器,由外向内做,这是一个非常挑战的工作,基本上外围空间定好之后,留给控制器的空间就很小很小,而且各种接口往往不是最优的。其次,DHT方案要求我们主驱电机性能越来越大,空间变小了,性能提升了。还有成本,这里面有一个双40概念,电驱控制器成本大概占整个电驱动单元40%,IGBT大概占电控单元的40%,这只是一个大概的概念。主机厂希望电机控制器成本越低越好,IGBT厂商有希望赚取更多的利润,电控里面可调整空间很小,成本大部分被IGBT厂家拿走,这就是双重的压力了。再加上混动,单就某一个指标,不管是振动、密封、寿命,都是很难的挑战,比纯电动要求高很多。拿一个密封来讲,我们在开发过程中会碰到很多问题。混合动力电机的控制器开发在今天仍然是一个充满挑战和需要多方合作一起解决问题的产品,比如Booster不是一味的40、50kW这么简单,可能多10kW就意味着放不下去,方案实现不了。

有一个案例,可能大家对于尺寸没有特别直观的感觉。常规来讲,主流的模块两个并在一起已经超出了控制器尺寸要求,没有太多可以选择的空间,最后只能往双面水冷这条路上走。双面水冷走了这么多年,如果不是因为混动,大家可能更倾向于用HPD模块,因为它标准化。双面水冷有体积小、成本低等优势,但是它也有一些劣势,这个劣势就是散热问题。其次要克服振动问题。它的难度是提高了,但是又不得不走这条路。

倒逼之后,如果想走集成化,想把体积减小,你要做很多工作,包括水冷模块,包括电动传感器,还有电容,每一个子零件都要去精雕细琢地开发设计,才能够真正实现所谓的集成。

其次是仿真,仿真到今天为止,把它作为一个定量分析工具还是有很大的差距,这里面有很多的数据,但是仿真能帮我们解决几件事情,比如振动分析时帮我们做一些定性的分析,还有散热,有些东西测不到,只有用仿真去分析。在这个开发过程中,测试和仿真结合是我们要非常重视和重点关注的,要充分利用好仿真工具的手段,帮我们提高整个产品开发的质量。

我们的限制是多维度的,解决产品开发问题也要多维度地想。从机械、硬件和软件多个角度去解决问题,但就软件来讲,我们也可以做很多事情:第一可以通过策略优化电容设计,尽可能降低电容容值,容值意味着体积,也意味着成本,我们要通过软件方法去降低整个产品成本和体积。另外是温度模型,这个在行业里很成熟,但是如何把这个技术真正用到产品里面,比如很多年前提到的IGBT结温和估算问题,还有电容温度估算,将来还有寿命估算,这些技术用上之后才能把产品的性能和可靠性提升。另外在使用过程通过得到的数据,不断的优化产品方案。

EMC这两年要求也越来越高了,很多人提到Class5太苛刻,class3又太普遍了,当前EMC技术方向比较主流的是用有源滤波来做,我们也做了尝试。另外一些软性需求也很严苛,这里边就包含功能安全和信息安全。可以看到功能安全里面,包括扭矩安全、热安全、高压安全,整个目标是非常明确而且要求很高。在这个基础上,客户附加了信息安全要求,整个来讲,开发的难度和开发的代价都会增大,但这对于保证产品的可靠性有很多的帮助。

刚才讲了对混合动力行业以及电机控制器的理解。最后简单介绍一下威迈斯,威迈斯在过去十多年,在新能源汽车电力电子领域取得了快速发展,做出了很多成绩,连续3年在新能源汽车OBC领域取得最大的市场份额,同时在过去几年我们投入了大量资源建立驱动开发能力,我们当前已经具备电机控制器、OBC、DCDC、PTC、电机和动力总成开发能力。尤其是在HEV电机控制器开发方面,我们具备明显的优势,这个产品用到电机控制器技术、BOOSTER技术、DCDC技术都是我们公司擅长的领域。我们已经拿到了两家行业主流大型企业的混合动力双逆变控制器项目量产定点,后续会有更多的项目产生。希望有机会跟行业的朋友交流合作,今天我的演讲完了,谢谢。

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